С помощью специального датчика можно диагностировать болезни по воздуху

Новосибирский государственный технический университет сообщил в прессе о разработке нового датчика, который способен диагностировать заболевания по выдыхаемому воздуху.

Этот прибор был создан общими стараниями ученых механико-технологического факультета. Чувствительность обычных промышленных датчиков равна 100-300 ppm, а датчик новой разработки имеет способность выявления в выдыхаемом человеком воздухе присутствия веществ концентрацией 1 ppm.

Научные работники использовали структуру на базе углеродных нанотрубок, а также оксидов графена и их гибридов.

Эта разработка базируется на том, что состав воздуха, выдыхаемого здоровым человеком, очень сильно отличается от выдоха заболевшего. Анализ выдыхаемого пациентом воздуха относится к неинвазивным методам диагностики пациентов. Например, сердечно-сосудистое заболевание может повышать выделение оксида углерода и азота, ацетона, изопрена и пентана. Онкологические заболевания у человека повышают уровень кетонов, альдегидов и изопрена, а на ранних стадиях гастрита в выдыхаемом воздухе фиксируется аммиак.

Врачам известно, что в случаях инфицирования бактерией Helicobacter pylori, заболеваний прохождения пищи через желудочно-кишечный тракт, дисфункции поджелудочной железы или печени, в том числе цирроза, при избыточном росте бактерий, нарушениях метаболизма желчи растет процент диоксида углерода (СО2) > 4 %.

Такие болезни, как анемия (сидеробластическая, гемолитическая, серповидноклеточная), инфекция дыхательных путей, астма и появление гематомы, гемоглобинурии, инфекций сопровождаются увеличением выдыхаемого монооксида углерода (СО) > 2 %.

Хроническую обструктивную болезнь легких, астму, инфекцию верхних дыхательных путей, ринит, а так же воспалительные процессы в желудке, рак органов пищеварения и тяжелый сепсис распознаются по концентрации в дыхании окиси азота (NO) 10 – 100 ppb. Если ацетон (С3Н6О) достиг концентрации 4 − 20 ppm, то это может стать признаком нарушения работы функции поджелудочной железы, например, при остром деструктивном панкреатите и диетическом разбалансе. Также это может быть следствием тяжелой сердечной недостаточности или рака легкого.

Заболевания центральной нервной системы, сахарный диабет, алкоголизм обнаруживаются благодаря повышению концентрации метанола, этанола, ацетальдегида.

 При почечной недостаточности: при нефритах, гипертонической болезни, атеросклерозе почечных артерий, токсикозе, токсических поражениях почек, а так же недостаточности печени при желтухах, гепатитах, циррозе печени, токсическом гепатите и раке легкого меняется концентрация выдыхаемого аммиака (NH3 ) > 1 ppm, а при расстройствах желудочно-кишечного тракта, важно измерить количество выдыхаемого метана (CH4).

Данные о выделении таких веществ и их концентрация являются ценными для диагностики многих заболеваний. На сегодняшний день научные сотрудники выполняют тестирование нового датчика.

Как рассказывает доцент кафедры химии и химической технологии НГТУ НЭТИ Александр Георгиевич Баннов, датчик умеющий замечать даже очень низкое содержание газов в воздухе, может найти обширное применение у медработников.

Концентрацию вредных газов в воздухе позволяют определять газовые сенсоры, так называемые миниатюрные устройства. До настоящего времени существующие датчики, могли обнаружить только сравнительно большие концентрации газов. Использование новых материалов на основе графеноподобных материалов и углеродных нанотрубок, которые применяются в газовом сенсоре, помогает справиться с этой задачей. Специалисты с помощью датчика могут обнаружить один миллиграмм вещества на килограмм. Научные сотрудники, в короткий период времени, планируют доработать данный прибор для распознавания частиц от 0,5 ppm и даже ниже.

 Если уменьшить размер устройства с помощью размеров сенсора, то не только сократится потребление энергии, но и появится возможность использовать датчик в мобильных устройствах. Это ещё одна разработка новосибирских учёных. Эта модель найдет еще более широкое применение в медицине, потому что сенсор позволит заметить малейшие перемены в воздухе, которые на раннем этапе болезни предскажут ее развитие.

«Молекулы газа, выдыхаемые нами, оседают на поверхность и поглощаются на активном материале нашего газового сенсора. Они забирают или дают носители заряда (электроны). И от этого зависит, как будет меняться электрическое сопротивление активного материала сенсора, и это позволяет определить содержание вещества в воздухе», — объяснил Александр Георгиевич.

Воздух, который выдыхает человек, наполнен огромным количеством летучих органических веществ, а в связи с тем, одной из функций легких является газообмен, выдыхаемый состав воздуха всегда отличается у людей, у которых здоровье в норме и при заболеваниях. Научные сотрудники говорят, что с помощью газового сенсора можно обеспечить процесс раннего скрининга болезней. Преимущество нового сенсора — способность очень быстро чувствовать рост концентрации какого-то конкретного газа. В результате чего несколько датчиков будут всегда анализировать количество опасных газов.

Кроме медицины, изобретение актуально для МЧС, в частности, «Умный шлем» с газовыми сенсорами, а также разработка пригодится для обнаружения опасных газов для экологического прогноза. Выпускаемые сейчас газоанализаторы, представляют собой громоздкие и тяжелые приборы, их используют во время опасных операций. А новую разработку мобильного и быстрого устройства с небольшим весом, можно встроить в шлем сотрудника спасательный службы, что разрешило бы исключить ряд рисков и задач во время самих спасательных операций. Сотрудников МЧС «Умный шлем» будет информировать о том, что требуется «подключить кислородный баллон», «срочно надеть противогаз», или «немедленно покинуть помещение». Этот датчик можно также применять для обнаружения на производстве и в работе экстренных служб опасных газов.

 По материалам СМИ и научных публикаций

 подготовила Надежда Данилова